钙钛矿晶体管最新Nature Electronics：媲美P型多晶硅及逻辑门电路首次集成

朱慧慧今日新材料

▲第一作者：朱慧慧

通讯作者：刘奥、Yong-Young Noh

通讯单位：浦项科技大学

论文DOI：

https://doi.org/10.1038/s41928-023-01019-6

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针对锡基钙钛矿结晶差导致的较差的薄膜质量和器件性能，该工作通过巧妙的多元A位阳离子组分工程(Cs-FA-PEA)调节钙钛矿的结晶动能和相分布，制备得到了高质量纯锡基钙钛矿薄膜和高性能钙钛矿基P沟道薄膜晶体管。所制备的器件展现出可媲美多晶硅的优异空穴迁移率（>70 cm² V^-1 s^-1）和电流开关比（>10⁸）以及良好的电学输出及操作稳定性。该工作同时首次实现与N型金属氧化物集成的互补式金属氧化物半导体（CMOS）逻辑门器件。

背景介绍

针对目前电子器件对低成本、高性能半导体研发的持续需求，新兴卤素钙钛矿半导体成为一类强有力的候选材料。锡基钙钛矿半导体材料具备优异的P型（空穴）传输能力,目前最有潜力作为半导体沟道层材料，实现高性能P沟道晶体管。该技术有望填补目前微电子领域对高性能P沟道场效应晶体管的高研发需求，并进一步推进低功耗CMOS技术的发展。然而由于锡基钙钛矿薄膜制备过程中结晶过快导致缺陷浓度过高，所以基于纯锡基钙钛矿的电子器件性能一直难有突破。鉴于A位阳离子对电学能带边缘影响较小，不同A位阳离子的设计组合有望实现高结晶锡基钙钛矿薄膜的制备，并最大程度保持其优异的本征电学性能。

本文亮点

1) 本工作通过对钙钛矿薄膜A位组分调节和结晶动能调控，实现了基于纯锡基钙钛矿半导体沟道层的高性能P沟道薄膜晶体管。研究发现，适量的A位阳离子（PEA⁺和Cs⁺）替换可以有效延缓锡基钙钛矿的快速结晶，并实现相均质排布的钙钛矿薄膜。

2) 所制备的Cs-FA-PEA纯锡基钙钛矿薄膜晶体管展现出>70 cm² V^-1 s^-1的高空穴迁移率和>10⁸的电流开关比以及良好的操作稳定性和可重复性。关键电学指标媲美商用低温多晶硅技术，而钙钛矿材料和制备成本大大降低。

3) 本工作实现了将高性能P沟道钙钛矿薄膜晶体管与商用N型金属氧化物器件的集成。制备的CMOS反相器实现超过350的增益。同时集成的逻辑门电路展现理想的逻辑转换功能。

图文解析

▲图1. 多元A位锡基钙钛矿薄膜晶体管的电学性能及业内性能对比

要点：

适量的A位阳离子（Cs⁺ 10%）替换对于初步优化调整的PEA-FA锡基钙钛矿薄膜晶体管性能提升至关重要（图1b）。关键电学性能包括高空穴迁移率>70 cm² V^-1 s^-1、高电流开关比>10⁸、良好输出特性及操作稳定性和可重复性（图1d-1f）。实现的场效应迁移率远超过当前各类钙钛矿基晶体管，且媲美低温多晶硅技术。这对于低成本、高性能P沟道晶体管研究方向提供了强有力的候选材料，也预示了锡基钙钛矿未来应用在各类电子器件的巨大潜力。

▲图2. 不同A位阳离子组合对于钙钛矿薄膜形貌、结晶、光学特性的影响

要点：

通过基本的薄膜表征，作者初步理解了适量的A位阳离子工程对于器件性能的影响。SEM和AFM清晰地表明A位阳离子的替换可以极大地提高钙钛矿薄膜的均匀性和表面形貌（图2a-b）。同时X射线衍射图谱表明薄膜结晶取向和结晶质量得到明显改善，实现了相纯的低维n=2和3D结构，同时n=1的杂相消失。

▲图3. 多元A位工程对于钙钛矿薄膜2D-3D相有序结晶的调整

要点：

通过对GIWAS研究发现，A位Cs⁺离子的引入可以实现均质的相排布，钙钛矿层上部分为3D结构，下界面附近低维n=2钙钛矿实现均匀分布，这对于载流子的注入和在下界面的快速传输至关重要（图3a-3d）。分析其原因是由于前驱体溶液中亲核中心的存在有效改善了薄膜结晶动能（图3e-3f）。

▲图4. 钙钛矿薄膜晶体管的稳定性及逻辑器件（反相器、逻辑门电路）集成

要点：

X射线能谱分析表明A位阳离子替换可以有效减小锡相关的缺陷数量。降低了空穴浓度的同时并提升薄膜空穴迁移率和器件操作稳定性（图4a-4c）。通过将钙钛矿晶体管与N型氧化物器件集成实现得到高增益、理想的 CMOS反相器和逻辑门电路器件（图4d-4i）。这也是首次实现钙钛矿基的逻辑门电路，表明P型锡基钙钛矿可以很好与现有商用N型氧化物结合，有望进一步推进低成本、高性能CMOS技术发展。

总结与展望

该工作表明卤素钙钛矿半导体材料在高性能场效应晶体管及相关电子器件领域有很大的应用潜力，尤其适合高性能p沟道器件的研发需求，以用于和已成熟发展的n沟道器件组成CMOS从而被广泛应用。近年来，陆续实现的突破进展标志着卤素钙钛矿半导体除了适用于太阳能电池或发光等光电器件之外，同时也进入了新一代电子器件研发的竞争行列。作者希望该工作可以吸引更多业界人员对该领域的研究兴趣，进一步推进钙钛矿材料在各类光电及电子器件的研发和应用。

作者介绍

朱慧慧，现美国西北大学博士后研究员。致力于钙钛矿基薄膜晶体管和可见至中红外光电探测方向，取得系列特色、原创性成果。以第一/通讯作者（含共同）在Nat. Electron. (4), Nat. Commun. (2), Adv. Mater. (3), Adv. Funct. Mater. (3), ACS Energy. Lett., ACS Nano, IEEE EDL (2)等期刊发表论文30余篇。文章被引用3100余次，H因子33。授权中、美、韩发明专利5项，含与三星电子共同申请1项。

刘奥，现美国西北大学博士后研究员。长期致力于新型半导体材料研发及相关电子器件研究。迄今共发表论文80余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）在Nat. Electron., Nat. Commun., Adv. Mater.等期刊发表论文47篇，封面论文8篇。论文被引用4200余次，h因子38。多次被Nat. Electron.、ACS Energy Lett.、Tech Xplore等学术期刊和媒体亮点报道。授权中、韩发明专利10余项，与韩国三星、LG等公司保持长期项目合作。

Yong-Young Noh，韩国浦项科技大学（POSTECH）化学工程系首席教授。主要从事可打印半导体材料及相关光电子器件研究。相关成果发表在Nature, Nat. Nanotechnol., Nat. Mater., Nat. Electron., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS等期刊。文章被引用20000余次。担任IEEE Transactions of Electronic Devices等学术期刊编辑。

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